DE102007061633A1

DE102007061633A1 - Welle-Nabe-Verbindung mit Freilauf

Info

Publication number: DE102007061633A1
Application number: DE200710061633
Authority: DE
Inventors: Falk Heinrich; Thomas Karais
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2009-06-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Welle-Nabe-Verbindung (10) mit einem Freilauf (20), der zwischen einer Außenmantelfläche (12) einer Welle (14) und einer Innenmantelfläche (16) einer Nabe (18) angeordnet ist und der eine Vielzahl von verstellbaren Sperrelementen (22) aufweist, die jeweils als rotationssymmetrische Teile ausgebildet sind. Jedem Sperrelement (22) ist ein Aufnahmebereich (24) mit zu beiden Seiten einer Mittellage (26) sich verengendem Querschnitt (28) zugeordnet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Welle-Nabe-Verbindung mit Freilauf mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Freiläufe dienen bei Welle-Nabe-Verbindungen in der Regel zur Festlegung der Teile in einer Drehrichtung und zur Freigabe der Verbindung in der jeweils anderen Drehrichtung. Derartige Freiläufe sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt, bspw. als sog. Rollen-, Hülsen und Klemmkörperfreiläufe. Bekannt sind weiterhin Ratschenfreiläufe oder sog. Klinkenfreiläufe, die sowohl als axiale als auch radiale Anordnungen eingesetzt werden können. Derartige Freiläufe können jedoch oftmals nicht variabel geschaltet werden, sondern weisen eine konstruktiv bedingte Sperrrichtung auf. Das in Freilaufrichtung von den mechanischen Sperrelementen ausgelöste Geräusch wird für manche Anwendungsfälle als störend empfunden. Zudem entsteht bei einem Kraft- bzw. Formschluss meist ein Drehmomentstoß aufgrund der schlagartig einrastenden Sperrelemente.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird darin gesehen, eine Welle-Nabe-Verbindung mit einem variabel steuerbaren Freilauf zur Verfügung zu stellen, die die genanten Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch eine Welle-Nabe-Verbindung mit einem zwischen einer Außenmantelfläche einer Welle und einer Innenmantelfläche einer Nabe angeordneten Freilauf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass eine Vielzahl von verstellbaren Sperrelementen jeweils ein Aufnahmebereich mit zu beiden Seiten einer Mittellage sich verengendem Querschnitt zugeordnet ist. Die Sperrelemente sind jeweils als rotationssymmetrische Teile ausgebildet und können sich innerhalb des Aufnahmebereichs bewegen, so dass in einer mittleren Lage der Freilauf nicht gesperrt ist, wogegen eine Sperrwirkung in einer der beiden Drehrichtungen der Nabe gegen die Welle dadurch erzielt wird, dass die Sperrelemente jeweils in einen verengten Bereich der Aufnahme verschoben sind, wo sie für eine Verklemmung und damit für eine Blockierung der Verdrehung der Nabe gegen die Welle sorgen können.
Die Sperrelemente können jeweils als zylindrische Walzen ausgebildet sein. Ebenso möglich sind auch andere rotationssymmetrische Sperrelemente wie Kugeln, tonnenförmige Walzen o. dgl., die sich als Wälz- und Sperrkörper zur Aufnahme in die korrespondierenden Aufnahmebereiche eignen.
Die Aufnahmebereiche weisen jeweils einen gewölbten Querschnitt mit größerem Wölbungsradius als einem Walzenradius auf. Auf diese Weise befinden sich die Sperrelemente bzw. Walzen in einer mittleren Lage in einem nicht gesperrten Zustand, in dem ein Spiel zwischen den einander zugewandten Flächen und den Sperrelementen herrscht. Der gewölbte Querschnitt der Aufnahmebereiche sorgt jedoch für einen geringeren Abstand beidseitig der Mittellage zwischen den einander zugewandten Flächen der Welle und Nabe, der geringer ist als der Außendurchmesser der Sperrelemente, so dass diese bei einer Verschiebung aus ihrer Mittellage zwischen den Flächen geklemmt werden und so für eine Sperrwirkung des Freilaufs sorgen können.
Vorzugsweise sind die Sperrelemente jeweils in einem Käfig geführt und gehalten. Der Käfig sorgt für die synchrone Verschiebung aller Sperrelemente in eine der beiden Sperrlagen bzw. für eine gleichzeitige Führung der Sperrelemente in der nicht gesperrten Mittellage. Der Käfig ist somit gegenüber der Nabe und/oder der Welle verdrehbar und/oder festlegbar ausgeführt. Zudem muss der Käfig gegenüber der Nabe und/oder Welle in beide Drehrichtungen verdrehbar sein, um die gewünschte Sperrwirkung herstellen zu können. Durch die zu beiden Seiten sich verengende Kontur der Aufnahmebereiche ist der Verdrehweg gegenüber der Welle und/oder Nabe in beide Drehrichtungen begrenzt. Der Verdrehweg ist durch die Kontur der Sperrelemente und der korrespondierenden Aufnahmebereiche vorgegeben.
Eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung kann vorsehen, dass die Sperrelemente von Flüssigkeit definierter und/oder variabler Viskosität umgeben und in einem gekapselten Flüssigkeitsreservoir angeordnet sind. Die Viskosität der Flüssigkeit kann einstellbar sein. Als Flüssigkeit kann bspw. eine magnetorheologische oder eine elektrorheologische Flüssigkeit Verwendung finden. Um die Viskosität dieser Flüssigkeit verändern zu können, ist vorzugsweise in einem Bereich nahe der Sperrelemente wenigstens eine Magnetspule angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Welle-Nabe-Verbindung ist für zahlreiche Anwendungsfälle der Drehmomentübertragung geeignet, bei denen zwei Elemente mit unterschiedlichen Drehzahlen verbunden werden müssen, bspw. ein Losrad mit einer Welle. Die Verbindung eignet sich damit bspw. für Wandler-Automatikgetriebe oder für andere Anwendungsfälle. Das dargestellte Prinzip ist nicht durch Bauraum, übertragbares Drehmoment oder die ausgewählte Anwendung in seinem Einsatzbereich beschränkt. Als Verbindungselement kommt ein schaltbarer Freilauf zur Anwendung, der als Rücklaufsperre, Schaltung oder als Freilauf verwendet werden kann. Somit kann er auch für die Momentenübertragung in der Getriebesynchronisation oder zur Unterstützung des Kraftschlusses bei einer Fahrzeugkupplung verwendet werden. Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Freilauf zur Verfügung gestellt, der die Funktionalität einer Synchronisierung, d. h. einen Drehzahlausgleich und eine Momentenübertragung, auf kleinem Bauraum aufweist. Die Schaltpunkte des Freilaufs sind steuerbar. Zudem entstehen im nicht geschalteten Zustand keine nennenswerten Reibverluste. Schließlich können Drehmomentstöße beim Schalten gedämpft werden.
Die Klemmkörper werden im nicht geschalteten Zustand durch die Führung des Käfigs im Hohlraum einer Rampenkontur gehalten. Da die Führung bzw. der Käfig durch eine Verbindung, bspw. durch ein Positionierungselement, mit der Rampenkontur fixiert ist, können die Klemmkörper nicht in den Klemmspalt kommen und klemmen. Wird die Fixierung gelöst, verdreht sich der Käfig und die Klemmkörper erreichen ihre Klemmposition. Somit wird ein Kraftschluss hergestellt. Um den Kraftschluss zu lösen, müssen die Klemmkörper durch kurzzeitige Lastunterbrechung entlastet werden. Wird in diesem Moment die Führung bzw. der Käfig mittels der Positionierungselemente in seine neutrale Position gebracht, können die Klemmkörper nicht mehr klemmen.
Um unterschiedliche Drehzahlen ausgleichen zu können, kann der Bauraum des Klemmkörpers mit einer MRF (magnetorheologischen) Flüssigkeit gefüllt sein. Beim Erzeugen eines Magnetfeldes steigt die Viskosität und somit die innere Reibung in dem Freilauf. Durch diese erhöhte Reibung sollen die Drehzahlen sich synchronisieren. Nachdem die Drehzahldifferenz abgebaut wurde, kann der Freilauf geschaltet werden. Durch höhere Viskosität des Fluids soll der Drehmomentstoß gedämpft werden.
Das Führungselement, das die Klemmelemente tangential und axial führt, jedoch radiale Bewegungen zulässt, kann insbesondere als Käfig ausgebildet sein, der wahlweise mit dem Außen- oder Innenring durch Formschluss verbunden sein kann, wobei ein Verdrehspiel zugelassen ist. Ob das Führungselement mit dem Außen- oder mit dem Innenring formschlüssig verbunden ist, hängt davon ab, wo sich der Aufnahmebereich bzw. die Rampenkontur zur Verklemmung der Klemmelemente befindet. Der Formschluss zwischen Führungselement bzw. Käfig und Außen- oder Innenring kann so ausgeführt sein, dass damit ein definiertes Verdrehen des Führungselements gegenüber dem Außen- bzw. Innenring zugelassen ist. Der definierte Verdrehweg in beide Richtungen muss dabei mindestens so groß sein, dass die Klemmelemente aus ihrer neutralen Mittellage in den verjüngten Klemmbereich gelangen können. Das Verdrehen des Führungselementes kann durch eine geeignete Kontur wie bspw. eine Konusform, eine Keilform oder eine Verzahnung beschränkt wer den. Innerhalb dieser Kontur kann das Positionierungselement zum Führungselement bewegt oder verfahren werden.
Die sog. Kontur- oder Positionierungselemente können weiterhin mit Rastmechanismen ausgestattet sein, um die Axialposition fixieren zu können. Das Führungselement bzw. der Käfig kann zusätzlich als Gleitlagerung ausgebildet sein, um zusätzliche Lagerungsaufgaben übernehmen zu können. Wahlweise kann das Führungselement auch den Außen- bzw. Innenring einer Wälzlagerung bilden.
Die Aufnahmebereiche für die Klemmelemente können wahlweise am Außenring oder am Innenring vorgesehen sein. So kann der Außenring bzw. die Nabe mit einer Rampenkontur versehen sein, während der Innenring bzw. die Welle eine glatte Oberfläche aufweist. Hierdurch kann mittels der Klemmelemente eine kraftschlüssige Verbindung erreicht werden. Für eine formschlüssige Verbindung kann der Innenring wahlweise auch profiliert sein, bspw. mittels einer Verzahnung, mittels mehrerer Vertiefungen, Nuten oder mittels einer Polygonform o. dgl. Wahlweise kann auch der Innenring mit den Aufnahmebereichen bzw. mit den Rampenkonturen für die Klemmelemente versehen sein, wobei der Außenring bzw. die Nabe für einen Kraftschluss eine glatte Oberfläche aufweist. Für eine formschlüssige Verbindung kann die Nabe auch profiliert sein, bspw. mittels einer Verzahnung, mittels mehrerer Vertiefungen, Nuten oder mittels einer Polygonform o. dgl.
Die Klemmelemente sind rotationssymmetrisch ausgeführt, bspw. als Nadeln, Walzen, Kugeln. Sie können wahlweise auch eine mehrflächige Außenmantelfläche aufweisen. Die Klemmelemente können entweder glatt und unbeschichtet sein oder mit geeigneten Reibschichten zur Erhöhung der Klemmwirkung versehen sein. Die Klemmelemente selbst können sowohl aus Metal (z. B. Eisen- oder Messinglegierungen) als auch aus Kunststoff oder aus Keramik hergestellt sein. Die Herstellung der Metall-Klemmelemente kann sowohl umformtechnisch wie auch durch Sintern oder Gießen erfolgen. Je nach Belastung können die metallischen Klemmelemente zusätzlich wärmebehandelt sein. Die Reibflächen der Klemmelemente können zum Zwecke einer besseren Anpassung an die Gegenflächen wahlweise sphärisch ausgeführt sein.
Innerhalb des Bauraums zwischen Welle und Nabe kann ein nach außen abgedichtetes Reservoir angeordnet sein, das mit einer viskosen Flüssigkeit gefüllt sein kann, vorzugsweise mit einer Flüssigkeit mit variabler Viskosität. So kann bspw. eine sog. magnetorheologische Flüssigkeit (MRF) oder eine elektrorheologische Flüssigkeit (ERF) zwischen Welle und Nabe zum Einsatz kommen, um z. B. bei Aktivierung mittels einer Viskositätserhöhung eine Dämpfungswirkung zu realisieren, indem das Schleppmoment zwischen den mit unterschiedlichen Drehzahlen laufenden Teilen durch verstärkte Fluidreibung erhöht wird. Im nicht aktivierten, niedrig viskosen Zustand wird nur ein geringes Schleppmoment übertragen, so dass auch nur relativ geringe Freilaufverluste entstehen. Die Ansteuerung der MRF kann über geeignete Fest- oder Elektromagneten erfolgen, die wahlweise im Freilauf integriert sein können oder extern angeordnet sind, bspw. seitlich des Freilaufgehäuses. Die Ansteuerung der ERF kann durch Anlegen einer Spannung zwischen Innen- und Außenring erfolgen.
Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nun folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel dient und auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt. Gleiche Bauteile weisen dabei grundsätzlich gleiche Bezugszeichen auf und werden teilweise nicht mehrfach erläutert.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung.
2 zeigt eine weitere Schnittansicht der Welle-Nabe-Verbindung gemäß 1.
Die schematischen Darstellungen der 1 und 2 zeigen jeweils eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung 10 mit einem zwischen einer Außenmantelfläche 12 einer Welle 14 und einer Innenmantel fläche 16 einer Nabe 18 angeordneten Freilauf 20. Der Freilauf 20 weist eine Vielzahl von verstellbaren Sperrelementen 22 auf, denen jeweils ein Aufnahmebereich 24 mit zu beiden Seiten einer Mittellage 26 sich verengendem Querschnitt 28 zugeordnet ist. Die Sperrelemente 22 sind jeweils als rotationssymmetrische Teile ausgebildet und werden im gezeigten Ausführungsbeispiel durch Walzen 30 gebildet. Diese Walzen 30 können sich innerhalb des Aufnahmebereichs 24 bewegen, so dass in einer mittleren Lage der Freilauf 20 nicht gesperrt ist, wogegen eine Sperrwirkung in einer der beiden Drehrichtungen der Nabe 18 gegen die Welle 14 dadurch erzielt wird, dass die Walzen 30 jeweils in einen verengten Bereich 28 der Aufnahme 24 verschoben sind, wo sie für eine Verklemmung und damit für eine Blockierung der Verdrehungsmöglichkeit der Nabe 18 gegen die Welle 14 sorgen können.
Die Aufnahmebereiche 24 weisen jeweils einen gewölbten Querschnitt mit größerem Wölbungsradius als dem Walzenradius auf. Auf diese Weise befinden sich die Sperrelemente 22 bzw. Walzen 30 in ihrer mittleren Lage in einem nicht gesperrten Zustand, in dem ein Spiel zwischen den einander zugewandten Flächen und den Sperrelementen 22 herrscht. Der gewölbte Querschnitt der Aufnahmebereiche 24 sorgt jedoch für einen geringeren Abstand beidseitig der Mittellage zwischen den einander zugewandten Flächen der Welle 14 und Nabe 18, der geringer ist als der Außendurchmesser der Sperrelemente 22, so dass diese bei einer Verschiebung aus ihrer Mittellage zwischen den Flächen geklemmt werden und so für eine Sperrwirkung des Freilaufs 20 sorgen können.
Die Sperrelemente 22 bzw. Walzen 30 sind jeweils in einem Käfig 32 geführt und gehalten. Der Käfig 32 sorgt für die synchrone Verschiebung aller Sperrelemente 22 in eine der beiden Sperrlagen bzw. für eine gleichzeitige Führung der Sperrelemente 22 in der nicht gesperrten Mittellage. Der Käfig 32 ist somit gegenüber der Nabe 18 und/oder der Welle 14 verdrehbar und/oder festlegbar ausgeführt. Zudem muss der Käfig 32 gegenüber der Nabe 18 und/oder Welle 14 in beide Drehrichtungen verdrehbar sein, um die gewünschte Sperrwirkung herstellen zu können. Durch die zu beiden Seiten sich verengende Kontur der Aufnahmebereiche 24 ist der Verdrehweg gegenüber der Welle 14 und/oder Nabe 18 in beide Drehrichtungen begrenzt. Der Verdrehweg ist durch die Kontur der Sperrelemente 22 und der korrespondierenden Aufnahmebereiche 24 vorgegeben.
Der Käfig 32 ist mit einem ringförmigen Positionierungselement 34 drehfest verbunden, das in einer entsprechenden Aufnahme 36 gehalten bzw. geführt ist. Durch axiale Verschiebung des Positionierungselementes 34 kann der Käfig 32 mit den Sperrelementen 22 bzw. Walzen 30 in der Mittellage 26 blockiert bzw. gelöst werden.
Sollen die Walzen 30 aus ihrer blockierten Lage gelöst werden, so ist zunächst ein Drehmomentstoß erforderlich, bevor der Käfig 32 zusammen mit dem Positionierungselement 34 in die neutrale Mittellage 26 verdreht werden kann.
Die Sperrelemente 22 sind von Flüssigkeit variabler Viskosität umgeben und in einem gekapselten Flüssigkeitsreservoir 38 angeordnet. Als Flüssigkeit kann bspw. eine magnetorheologische Flüssigkeit (MRF) Verwendung finden. Um die Viskosität dieser Flüssigkeit verändern zu können, ist in einem Bereich nahe der Sperrelemente 22 eine Magnetspule 40 angeordnet ist. Durch Anlegen einer Spannung an der Magnetspule 40 kann die Viskosität der Flüssigkeit eingestellt werden, so dass innerhalb des Freilaufs 20 ein gewünschtes Schleppmoment erzeugt werden kann. Die Magnetspule 40 zusammen mit dem Flüssigkeitsreservoir 38 und der MRF ermöglicht den Einsatz des verstellbaren Freilaufs 20 als universelle Synchronisierungshilfe bei vielen Anwendungsfällen mit gegeneinander verdrehbaren Bauteilen, deren Drehzahlen sanft einander angepasst werden sollen, bspw. bei Getriebezahnrädern oder bei zahlreichen Kupplungen.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Gedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.

10: Welle-Nabe-Verbindung
12: Außenmantelfläche
14: Welle
16: Innenmantelfläche
18: Nabe
20: Freilauf
22: Sperrelement
24: Aufnahmebereich
26: Mittellage
28: verengter Querschnitt
30: Walze
32: Käfig
34: Positionierungselement
36: Aufnahme
38: Flüssigkeitsreservoir
40: Magnetspule

Claims

Welle-Nabe-Verbindung (10) mit einem Freilauf (20), der zwischen einer Außenmantelfläche (12) einer Welle (14) und einer Innenmantelfläche (16) einer Nabe (18) angeordnet ist, und der eine Vielzahl von verstellbaren Sperrelementen (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrelemente (22) jeweils als rotationssymmetrische Teile ausgebildet sind, und dass jedem Sperrelement (22) ein Aufnahmebereich (24) mit zu beiden Seiten einer Mittellage (26) sich verengendem Querschnitt (28) zugeordnet ist.
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrelemente (22) jeweils als zylindrische Walzen (30) ausgebildet sind.
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmebereiche (24) jeweils einen gewölbten Querschnitt mit größerem Wölbungsradius als einem Walzenradius aufweisen.
Welle-Nabe-Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrelemente (22) jeweils in einem Käfig (32) geführt und gehalten sind.
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (32) gegenüber der Nabe (18) und/oder der Welle (14) verdrehbar und/oder festlegbar ist.
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (32) gegenüber der Nabe (18) und/oder Welle (14) in beide Drehrichtungen verdrehbar ist.
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrehweg gegenüber der Welle (18) und/oder Nabe (14) in beide Drehrichtungen begrenzt ist.
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrehweg durch die Kontur der Sperrelemente (22) und der korrespondierenden Aufnahmebereiche (24) vorgegeben ist.
Welle-Nabe-Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrelemente (24) von Flüssigkeit definierter und/oder variabler Viskosität umgeben und in einem gekapselten Flüssigkeitsreservoir (38) angeordnet sind.
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität der Flüssigkeit einstellbar ist.
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit eine magnetorheologische oder eine elektrorheologische Flüssigkeit ist.
Welle-Nabe-Verbindung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich nahe der Sperrelemente (22) wenigstens eine Magnetspule (40) angeordnet ist.